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Dokumentenidentifikation DE19605412A1 28.08.1997
Titel Elektrodynamischer Gleichstromlinearmotor mit aktiver Klemmung
Anmelder Voss, Michael, Dipl.-Ing., 71229 Leonberg, DE
Erfinder Voss, Michael, 71229 Leonberg, DE;
Schinköthe, Wolfgang, 70437 Stuttgart, DE;
Hartramph, Ralf, 70499 Stuttgart, DE
DE-Anmeldedatum 14.02.1996
DE-Aktenzeichen 19605412
Offenlegungstag 28.08.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.08.1997
IPC-Hauptklasse H02P 3/04
IPC-Nebenklasse H02K 41/035   H02K 33/00   
Zusammenfassung Motoren dieser Bauform weisen keine Selbsthemmung auf. Eine Position kann somit nur durch einen aktiven Regelkreis gehalten werden, wodurch auch im Stillstand Verlustleistung auftritt und die Haltekräfte eng begrenzt sind.
Zur Vermeidung der Leistung von Gleichstromlinearmotoren im Stillstand und zur Erhöhung der Haltekraft wird eine aktive Klemmvorrichtung in den Antrieb integriert. Die Klemmung wird während der Bewegung gelöst und geht nur im Stillstand innerhalb sehr kurzer Zeit in Eingriff.
Die Klemmvorrichtung wird durch aktive Elemente (5) aus piezoelektrischem, magnetostriktivem oder Formgedächtnismaterial realisiert. Sie setzt den bewegten Abtrieb (6) mit der Antriebsspule (2) gegenüber dem feststehenden magnetischen Kreis (3, 4) in einem Gehäuse (1, 5, 7, 8) fest. Die Klemmvorrichtung kann dabei eine Umformung der Dehnungsrichtung mit Kraft- oder Wegübersetzung realisieren und unter Ausnutzung der Stellspannung der Antriebsspule betätigt werden.
Die Anordnung erlaubt den Aufbau von Gleichstromlinearmotoren, die leistungsarm eine beliebige Position halten können.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Gleichstromlinearmotor nach dem elektrodynamischen Wirkprinzip. Dieser Motor nutzt die Kraft auf bewegte Ladungen einer bestromten Leiterwicklung in einem Magnetfeld. Das Magnetfeld kann dabei entweder von einem Permanentmagneten oder von einer zweiten stromdurchflossenen Leiterwicklung erzeugt werden. Zur Nutzung der zwischen den beiden Teilsystemen wirkenden Relativkraft ist eines der beiden Teilsysteme (z. B. die bestromte Leiterwicklung) ortsfest und somit Stator, und das andere Teilsystem (im Beispielfall der Permanentmagnet oder eine zweite Leiterwicklung) stellt den bewegten Abtrieb der Anordnung also den Läufer dar.

Motoren dieser Bauform weisen keine Selbsthemmung auf. Eine Position kann nach deren Erreichen bei Belastung nur durch einen aktiven Regelkreis mit Meßsystem. Stellglied und Regler gehalten werden. Das bedeutet, daß auch während des Stillstandes des Antriebs eine belastungsabhängige elektrische Leistung der Leiterwicklung zugeführt werden muß. Im Stillstand wird die zugeführte elektrische Energie dabei vollständig in thermische Verlustleistung umgesetzt. Dies führt zur Erwärmung des Motors und wegen der begrenzten zulässigen Übertemperatur des Motors letztlich auch zu einer Begrenzung der maximalen Haltekraft des Antriebs.

Bekannt sind Gleichstromlinearmotoren, die ein stromloses Halten ermöglichen, indem in den beiden Endpositionen permanente Magnetfelder (DT AS 2229332) oder Streufelder (DT AS 2118101) ausgenutzt werden. Ein stromloses Halten in beliebiger Position ist bei diesen Motoren jedoch nicht möglich. Innerhalb der Endlagen, also im normalen Positionierbetrieb, ist ein Halten der Position auch hier nur über einen aktiven Regelkreis mit den genannten Nachteilen realisierbar.

Bekannt sind andererseits Klemmvorrichtungen aus Schrittmotoren mit mechanischer Klemmung (DD AP 91857) und sogenannten Inchworm-Motoren. Sie dienen dabei der Abstützung der Vorschubbewegung auf der Klemmstelle und der Lagefixierung. Zur Durchführung eines Bewegungsschritts sind zwei Klemmvorgänge notwendig. Der gesamte Bewegungsvorgang stellt hierbei im Gegensatz zu der kontinuierlichen Bewegung von elektrodynamischen Gleichstromlinearmotoren eine Aneinanderreihung einer Vielzahl von Einzelschritten dar.

Aufgrund der technisch realisierbaren Schrittgröße ist die Vorschubbewegung von Schrittantrieben mit Klemmung sehr langsam und für hochdynamische Positionieraufgaben nicht geeignet. Außerdem haben sie wegen der hohen Zahl von Klemmvorgängen je Bewegungsvorgang nur geringe Standzeiten.

Aufgabe der erfindungsgemäßen Lösung ist es, unter Beibehaltung des für hochdynamische Bewegungen sehr vorteilhaften Gleichstromlinearmotorprinzips ein leistungsloses oder extrem leistungsarmes Halten nach Abschluß von kompletten Bewegungsvorgängen in beliebigen Positionen mit hohen Haltekräften zu ermöglichen.

Dieses Problem wird bei dem erfindungsgemäßen elektrodynamischen Gleichstromlinearmotor mit aktiver Klemmung durch die im Patentanspruch 1 und folgende aufgeführten Merkmale gelöst.

Grundgedanke der erfindungsgemäßen Lösung ist der Einbau einer schaltbaren Bremse, durch die der bewegliche Läufer gegenüber dem feststehenden Stator festlegbar ist. Ein sehr schnell ansprechendes Bauelement in dieser Bremse gestattet es, nach Abschluß der Bewegung die Bewegung bis zu einem erneuten Positionswechsel zu behindern oder vollständig zu blockieren.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gleichstromlinearmotors besteht entsprechend Patentanspruch 2 darin, daß die Bestromung des Motors zur Bewegungserzeugung gleichzeitig das Lösen der Bremse bewirkt, und im stromlosen Zustand die Bremse festgesetzt ist.

Ein erfindungsgemäßer Gleichstromlinearmotor besteht nach den Ansprüchen 3 und 4 beispielsweise aus einem ersten Teilsystem mit daran befestigter Spule und einem zweiten Teilsystem mit einem magnetischen Kreis aus mindestens einem Permanentmagneten, einem magnetischen Rückschluß und einem Gehäuse, zwischen denen sich bin geringer Luftspalt befindet, und jedes dieser Teilsysteme den bewegten Abtrieb und damit den Läufer bilden kann, wobei das andere Teilsystem dann den feststehenden Stator darstellt.

Die Bremse enthält entsprechend Ansprüchen 5 und 6 zur Festsetzung des Läufers beispielsweise ein piezoelektrisches oder magnetostriktives Element bzw. ein Element aus einer Formgedächtnislegierung, wobei die Dehnung bzw. Kontraktion des piezoelektrischen oder magnetostriktiven Elements bzw. des Elements aus Formgedächtnislegierung (im weiteren als aktives Element bezeichnet) im Stillstand innerhalb sehr kurzer Zeit eine durch reibschlüssige oder formschlüssige Klemmung des Läufers relativ zum ortsfesten Stator in beliebigen Positionen leistungsfrei oder mit verminderter Leistung erfolgt.

Während ein Blockieren durch Formschluß, beispielsweise durch in Bewegungsrichtung wirkende Hinterschneidungen, nur in diskreten Intervallen oder Schritten erfolgen kann, wird bei einer Klemmung durch flächigen Reibschluß die erreichbare Position nicht beeinflußt. Die Klemmung kann dabei entsprechend der Ausführung nach Anspruch 7 direkt durch Dehnung bzw. Kontraktion eines aktiven Elementes senkrecht zur Berührungsfläche also in Richtung der Flächennormalen oder entsprechend der Ausgestaltung nach Anspruch 8 und 9 durch Umformen der Dehnungsrichtung und zusätzliche Kraft- bzw. Wegübersetzung realisiert werden.

Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gleichstromlinearmotors besteht entsprechend Anspruch 10 darin, daß ein aktives Element aus magnetostriktivem Material so in die Antriebsspule des Gleichstromlinearmotors integriert ist, daß das Magnetfeld der bestromten Antriebsspulen selbst die Dehnung des aktiven Elements bewirkt und die Klemmung des bewegten zum ortsfesten Teils während der Bewegung dadurch freigibt und im stromlosen Zustand die Klemmung zwangsläufig wieder schließt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gleichstromlinearmotors bestehen entsprechend Anspruch 11 in der Ausnutzung von Stellstrom bzw. -spannung zur Ansteuerung des aktiven Elementes der Klemmung durch geeigneten Anschluß an die Antriebsspule über eine Gleichrichterbrücke, so daß unabhängig von der Stromrichtung in der Antriebsspule bei Stromfluß die Klemmung stets gelöst und ohne Stromfluß stets geschlossen ist. Während der Bewegung wird der Abtrieb dadurch zwangsläufig freigegeben und nach Abschluß der Bewegung zwangsläufig wieder festgesetzt.

Diese zusätzliche temporär wirkende aktive Klemmvorrichtung innerhalb des Motors ermöglicht es so, eine beliebige Position auch unter Belastung ohne oder mit verminderter Verlustleistung zu halten und dabei hohe Haltekräfte zu erzeugen.

Ausführungsbeispiele der Anordnungen werden in den beigefügten Zeichnungen (Fig. 1 bis 6) näher beschrieben. Es stellen dar:

Fig. 1 einen rotationssymmetrisch aufgebauten Gleichstromlinearmotor mit einem piezoelektrischen Rohr zur Klemmung des bewegten Innenteils. Ausgenutzt wird die Vergrößerung des Rohrinnendurchmessers durch die Dehnung des Piezomaterials in Umfangsrichtung.

Fig. 2 einen rotationssymmetrisch aufgebauten Gleichstromlinearmotor mit einem piezoelektrischen Rohr zur Klemmung des bewegten Innenteils. Ausgenutzt wird die Dehnung des Piezorohrs in Achsrichtung, die über ein elastisch verformbares Element das Innenteil klemmt.

Fig. 3 einen rotationssymmetrisch aufgebauten Gleichstromlinearmotor mit einem Rohr aus magnetostriktivem Material im homogenen Feldbereich der Antriebsspule.

Fig. 4 vergrößerte Darstellung einer Bauform des Zwischenelements zur mechanischen Gleichrichtung einer vorzeichenbehafteten Dehnung, beispielsweise eines vorgespannten magnetostriktiven Materials.

Fig. 5 ein Blockschaltbild der Ansteuerschaltung der Antriebsspule und der Ansteuerung der Klemmeinrichtung mit einem piezoelektrischen aktiven Element.

Fig. 6 ein Blockschaltbild der Ansteuerschaltung der Antriebsspule und der Ansteuerung der Klemmeinrichtung mit einem aktiven Element aus einer Formgedächtnislegierung.

Die drei dargestellten Ausführungsvarianten nach Fig. 1 bis 4 bestehen aus zwei relativ zueinander beweglichen Teilsystemen, deren Relativbewegung durch unterschiedlich ausgeführte Klemmstellen gemäß den Patentansprüchen 6 bis 9 unterbunden bzw. behindert werden kann. In den dargestellten Ausführungsbeispielen erfolgt der Abtrieb des Motors über das aus dem Körper (6) und der Spule (2) bestehende bewegte Teilsystem 1 (Innenteile-Läufer). Das feststehende Teilsystem 2 (Außenteile-Stator) des Motors ist ortsfest. Der Körper (6) des Läufers ist ein in Bewegungsrichtung des Motors lang ausgedehntes Bauelement, dessen senkrecht zur Bewegungsachse liegender Querschnitt in den dargestellten Beispielen auf der Abtriebsseite über die Bewegungslänge des Motors hinaus verjüngt ist.

Am gegenüberliegenden Ende besitzt der Körper (6) eine in Bewegungsrichtung über den Bewegungsbereich des Motors ausgedehnte Nut zur Aufnahme einer solenoidförmigen Spule (2). Zwischen der Nut und der von der Abtriebsseite abgewandten Stirnseite des Körpers (6) bleibt ein schmaler Bund zur Fixierung der Spule in Bewegungsrichtung stehen. Die Außenkontur der in die Nut eingebrachten Spule ist gegenüber der maximalen Ausdehnung des Körpers (6) senkrecht zur Bewegungsachse minimal zurückgesetzt. Auf der Spulenseite besitzt der Körper (6) eine stirnseitige, koaxial zur Spulen-Nut-Geometrie eingebrachte Bohrung deren Tiefe größer ist als die Nutbreite einschließlich des stirnseitig verbliebenen Bundes. Die zwischen Bohrung und Nutgrund befindliche Wand ist sehr dünn ausgeführt.

Der Bereich des maximalen Querschnitts des Körpers (6) bildet die Kontur der Führungsfläche zum Teilsystem 2. Über den Bewegungsbereich bleibt der Querschnitt des Körpers (6) konstant.

In den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und 2 ist der Querschnitt des Körpers (6) identisch mit der Innenkontur des Führungs- und aktiven Elements (5). Die Länge des Führungsbereichs von (6) beträgt mindestens die Länge des Teils (5) zuzüglich des maximalen Motorhubes.

Das Element (5), das gleichzeitig entweder wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 Führungs- und aktives Element oder wie nach Fig. 2 nur ein aktives Element darstellt, ist fest im Gehäuse (1) eingebaut. Das Gehäuse dient als Trägerelement der Bauteile des zweiten Teilsystems und besteht aus magnetisch nichtleitendem Material. Es umschließt den Motor allseitig mit Ausnahme der Abtriebsseite, an der der Körper (6) einen verminderten Querschnitt aufweist. Die Innenform des Gehäuses (1) entspricht der Außenkontur des Führungs- und aktiven Elements (5). An der der Abtriebsseite gegenüberliegenden geschlossenen Seite des Gehäuses (1) befindet sich ein topfförmiges Flußleitstück (3), das sich in Längsrichtung über den gesamten Spulenbereich erstreckt. Das Flußleitstück (3) besteht aus magnetisch gut leitendem Material und dient der Flußführung. Zusammen mit den in die Bohrung des Körpers (6) ragenden Permanentmagneten (4) und einem in Richtung des Bohrungsgrundes aufgesetzten Polschuh bildet das Flußleitstück (3) einen permanenterregten magnetischen Kreis. Zwischen dem Flußleitstück (3) und der Spule (2) beziehungsweise dem Körper ist ein geringer Luftspalt vorhanden, so daß keine Berührung stattfindet.

Bei der Ausführung der Klemmung gemäß Fig. 1 befindet sich zwischen dem Flußleitstück (3) und dem Führungs- und aktiven Element (5) eine Distanzhülse (8) mit einer gewissen Nachgiebigkeit, die ebenfalls Führungsaufgaben übernehmen kann. Die drei Bauteile (8), (5) und (3) werden im Gehäuse (1) über eine Spannmutter (7) in Richtung der Bewegungsachse vorgespannt. Berührung zum Körper (6) findet an der Innenfläche des Führungs- und aktiven Elementes (5) und an weiteren Teilen mit Führungsaufgaben, wie beispielsweise der Distanzhülse (8) statt. Das Führungs- und aktive Element (5) besteht bei dieser Variante der Klemmung aus einem piezoelektrischen Tubus mit stirnseitigen Elektroden. Durch Anlegen einer Spannung an den entsprechend polarisierten und axial vorgespannten Piezowerkstoff findet eine Volumenänderung statt, die als Transversaleffekt zur Aufweitung der Innenform und dadurch zum Lösen des Reibschlusses mit dem Körper (6) führt. Im spannungsbeaufschlagten Zustand kann das Teilsystem 1 eingebaut bzw. relativ zum Teilsystem 2, bestehend aus den Bauteilen (1), (3), (4), (5), (7) und (8) bewegt werden. Die Spannung bleibt bis zum Ende des Bewegungsvorgangs angelegt. Nach Abschalten der Spannung zieht sich die Innenform wieder auf das ursprüngliche Maß zusammen, wodurch das Teilsystem 1 im Führungs- bzw. aktiven Element (5) geklemmt wird. Klemmung findet also im elektrisch spannungsfreien Zustand des aktiven Elementes und damit energiefrei statt.

In Fig. 2 wird an Stelle der Distanzhülse (8) ein Verformungskörper (9) zwischen dem aktiven Element (5) und dem Flußleitstück (3) eingebaut. Auch dieser Verformungskörper übernimmt zusätzlich Führungsaufgaben. Durch die in Bewegungsrichtung aufgebrachte Vorspannkraft wird einerseits das aktive piezoelektrische Element (5) mechanisch vorgespannt, andererseits wird der Verformungskörper (9) elastisch verformt und weitet sich dadurch senkrecht zur Bewegungsrichtung auf. Teilsystem 1 ist somit geklemmt. Das Anlegen einer entsprechend gepolten Spannung an das piezoelektrische aktive Element (5) führt nun bei richtiger Polung zu einer Kontraktion des aktiven Elements (5) in Bewegungsrichtung. Dadurch wird der Verformungskörper (9) entlastet und die Klemmung freigegeben. Das aktive piezoelektrische Element (5) wird hierbei entweder hinsichtlich des Transversaleffektes ausgenutzt, in diesem Fall liegen die Elektroden an den Zylinderflächen außen und innen, so daß die Innenfläche keine zusätzlichen Führungsaufgaben übernimmt. Anderseits kann das aktive piezoelektrische Element (5) auch hinsichtlich seines Longitudinaleffektes ausgenutzt werden, die Elektroden sind dann stirnseitig angeordnet.

Notwendige Isolationen sind in den Bildern generell nicht dargestellt, sie müssen entsprechend den in den jeweiligen Anwendungsfällen zulässigen Potentialen zusätzlich eingebracht werden.

Bei der Ausführungsvariante nach Fig. 3 und 4 wird das Teilsystem 1 mittels einer Gleitführungsbuchse (10) geführt. Diese Gleitführungsbuchse (10) wird in das Gehäuse (1) eingepreßt. Als aktives Element der Klemmung wird ein Hohlzylinder aus magnetostriktivem Material (13) verwendet. Der Hohlzylinder wird in der Bohrung des Körpers (6) in Bewegungsrichtung vorgespannt. Zwischen Bohrungsgrund und Hohlzylinder (13) befindet sich hierzu eine Distanzhülse (12) und auf der anderen Seite des Hohlzylinders eine Schalthülse (14) mit einer innenliegenden, senkrecht zur Bewegungsachse verlaufenden Nockengeometrie, die als beidseitig wirkender Keil gestaltet ist. Der Kraftfluß wird über ein sich in Bewegungsrichtung anschließendes Tellerfederpaket (15) und eine eingeschraubte Spannmutter (11) geschlossen. Die Spannmutter (11) besitzt einen Klemmbund, der in die Schalthülse (14) ragt und der im Bereich des Schaltnockens linsenförmig erweitert ist, so daß nach außen Berührung zum Schaltnocken und nach innen Berührung zum Teilsystem 2 stattfindet. Die Geometrie des Schaltnockens und des Klemmbundes ist dabei so ausgelegt, daß in der Stellung, in der die sich die linsenförmige Aufweitung des Klemmbundes am höchsten Punkt der Nocke befindet, der Klemmbund senkrecht zur Bewegungsrichtung nach innen verformt wird, und Klemmung zwischen Teilsystem 1 und 2 stattfindet.

Durch Anlegen einer Spannung und Treiben eines Stroms durch die Spule (2) wird sich bei entsprechender Dimensionierung der Spule der magnetostriktive Hohlzylinder (13) je nach Feldrichtung in Bewegungsrichtung dehnen oder zusammenziehen. Bei beiden Verformungen ändert sich die Position der Schalthülse, so daß der Klemmbund an der Spannmutter (11) auffedert und die Klemmung freigeben wird. Die oben genannte Spannung bzw. der Strom stellen die für die Motorbewegung sorgende Spannung bzw. den Strom dar, also keine zusätzliche Steuerspannung bzw. zusätzlichen Steuerstrom. Das Lösen der Klemmung findet somit automatisch nur während der Bewegung statt. Nach Abschalten des Spulenstroms erfolgt sofort wieder eine Klemmung. Die Klemmung erfolgt dabei energiefrei.

Anstelle des magnetostriktiven Materials könnte das aktive Element (13) bei dieser Ausführung auch aus piezoelektrischen Material bestehen, das so polarisiert ist, daß beim Anlegen einer Spannung die gleichen Dehnungen wie beim magnetostriktiven Material auftreten.

Die Lösungen nach Fig. 1 bis 4 können sowohl mit separat angesteuerter Klemmvorrichtung als auch mit über den Spulenstrom gesteuerter Klemmung betrieben werden. Bei Betrieb über den Spulenstrom ist eine stromrichtungsunabhängige Ausgestaltung der Anordnung vorzusehen. Dies kann entweder durch die Gestaltung der mechanischen Komponenten gemäß Fig. 3 und 4 erfolgen, die sowohl beim Dehnen als auch beim Zusammenziehen des piezoelektrischen oder magnetostriktiven Materials die Klemmung freigibt und nur im stromlosen Zustand klemmt oder bei piezoelektrischer Klemmung auch durch Zwischenschalten von Gleichrichtern (z. B. einer Graetz-Gleichrichterstufe) zwischen Spule und Piezoelement realisiert werden.

An Stelle der piezoelektrischen aktiven Elemente (5) bzw. des magnetostriktiven aktiven Elementes (13) können auch aktive Elemente auf thermischer Basis, beispielsweise aktive Elemente aus Formgedächtnislegierung eingesetzt werden, die bei Überschreiten bzw. Unterschreiten von Schalttemperaturen sehr schnell ihre Form ändern. Diese Formänderung wird dann in gleicher Weise mit gleichem Aufbau zur Realisierung der Klemmung ausgenutzt.

Die Fig. 5 und 6 zeigen Ausführungsbeispiele für die Ansteuerung der Klemmelemente zu den oben dargestellten bzw. beschriebenen Ausführungsbeispielen als Blockschaltbild.

In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel für die Ansteuerung der Klemmung mit piezoelektrischen aktiven Elementen dargestellt. Um eine Klemmung bei Stillstand und ein Lösen der Klemmeinrichtung bei Bestromung der Motorspule zu realisieren, wird in dieser Variante eine Ansteuerung der Motorspule mit einem pulsbreitenmodulierten Servoverstärker vorgeschlagen.

Die pulsbreitenmodulierte Ausgangsspannung des Servoverstärkers wird zum einen der Motorspule zugeführt und zum anderen einer Gleichrichterbrücke, z. B. einer Graetz- Schaltung. Diese wandelt die Wechselspannung in eine Gleichspannung um. Die hierdurch erzeugte Gleichspannung liegt direkt am Piezoelement an. Da die Wechselspannungsamplitude des Servoverstärkers konstant ist, steht über die Gleichrichtung und eine Glättung immer eine konstante Gleichspannung zur Ansteuerung der Klemmeinrichtung zur Verfügung. Die Kapazität des Piezoelementes wirkt hierbei als Glättungskondensator. Durch Parallelschaltung von Kondensatoren läßt sich der Brummspannungsanteil weiter verringern, verschlechtern sich aber gleichzeitig die dynamischen Eigenschaften der Klemmeinrichtung.

Bei nichtsymmetrisch arbeitenden 4-Quadrantenpulsstellern besitzt die pulsbreitenmodulierte Spannung jeweils nur eine Polarität gegenüber Masse, d. h. sie ist entweder positiv oder negativ gerichtet, und der Integralwert der Wechselspannung entspricht damit dem Betrag der Gleichspannung. Ohne Zusatzmaßnahmen ist die Servoverstärkerausgangsspannung dadurch im Ruhezustand gleich Null und diese Pulsstellervariante ohne Einschränkung nutzbar.

Wird ein 4-Quadrantenpulssteller mit symmetrischer Pulsbreitenmodulation eingesetzt, steht eine zur Masse symmetrische, pulsbreitenmodulierte Wechselspannung zur Verfügung, deren Integralwert einer positiven bzw. negativen effektiven Gleichspannung entspricht. In diesem Fall muß dafür gesorgt werden, daß die Ausgangswechselspannung bei Stillstand des Motorsystems zu Null wird, beispielsweise durch Abschalten des Servoverstärkers in der Zielposition.

Ein Ausführungsbeispiel einer Ansteuerung eines thermisch arbeitenden aktiven Elementes, z. B. aus Formgedächtnislegierung, zeigt Fig. 6, wobei als Stellglied ein analoger Servoverstärker zum Einsatz kommt.

Das thermisch arbeitende aktive Element wird beispielsweise direkt als elektrischer Widerstand (R1 oder R2) in den Motorstromkreis geschaltet und heizt sich dabei direkt durch den Spulenstrom auf. Eine indirekte Erwärmung über Heizdrähte, die dann die elektrischen Widerstände darstellen und in den Motorstromkreis eingeschaltet werden, ist ebenfalls möglich. Die Heizdrähte könnten beispielsweise um das aktive Element aus einer Formgedächtnislegierung gewickelt werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Elektrodynamischer Gleichstromlinearmotor mit aktiver Klemmung mit einem feststehenden Stator und einem beweglichen Läufer, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Läufer gegenüber dem feststehenden Stator durch eine schaltbare Bremse festlegbar ist.
  2. 2. Elektrodynamischer Gleichstromlinearmotor mit aktiver Klemmung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestromung des Motors zur Bewegungserzeugung gleichzeitig das Lösen der Bremse bewirkt, und im stromlosen Zustand die Bremse festgesetzt ist.
  3. 3. Elektrodynamischer Gleichstromlinearmotor mit aktiver Klemmung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstrommotor aus einem ersten Teilsystem mit einem Körper (6) und daran befestigter Spule (2) und einem zweiten Teilsystem mit einem magnetischen Kreis aus mindestens einem Permanentmagneten (4), einem Flußleitstück (3) als magnetischen Rückschluß und einem Gehäuse (1) besteht.
  4. 4. Elektrodynamischer Gleichstromlinearmotor mit aktiver Klemmung nach Patentanspruch 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Teilsystemen ein geringer Luftspalt besteht, und jedes dieser Teilsysteme den bewegten Abtrieb und damit den Läufer bilden kann, wobei das andere Teilsystem dann den feststehenden Stator darstellt.
  5. 5. Elektrodynamischer Gleichstromlinearmotor mit aktiver Klemmung nach den Patentansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremse zur Festsetzung des Läufers ein piezoelektrisches (5) oder magnetostriktives (13) aktives Element bzw. ein Element aus einer Formgedächtnislegierung enthält, das sowohl Führungs- als auch aktives Element ist.
  6. 6. Elektrodynamischer Gleichstromlinearmotor mit aktiver Klemmung nach den Patentansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnung bzw. Kontraktion des piezoelektrischen (5) oder magnetostriktiven (13) aktiven Elements bzw. des Elements aus Formgedächtnislegierung (im weiteren als aktives Element bezeichnet) im Stillstand innerhalb sehr kurzer Zeit eine durch reibschlüssige oder formschlüssige Klemmung des Läufers relativ zum ortsfesten Stator in beliebigen Positionen leistungsfrei oder mit verminderter Leistung erfolgt.
  7. 7. Elektrodynamischer Gleichstromlinearmotor mit aktiver Klemmung nach den Patentansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Element direkt zu dem relativ zum aktiven Element bewegten Körper (6) eine Berührungsfläche aufweist, die durch Dehnung bzw. Kontraktion des aktiven Elements in Richtung der Flächennormalen die Klemmung realisiert.
  8. 8. Elektrodynamischer Gleichstromlinearmotor mit aktiver Klemmung nach den Patentansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen aktivem Element (5 oder 13) und den relativ dazu bewegten Bauteilen ein oder mehrere mechanische Bauteile (9 bzw. 11 und 14) eingebaut sind, die eine nicht in Richtung der Flächennormalen der Klemmstelle gerichtete Dehnung des aktiven Elements in eine Bewegung in Richtung der Flächennormalen der Berührungsflächen umsetzen.
  9. 9. Elektrodynamischer Gleichstromlinearmotor mit aktiver Klemmung nach den Patentansprüchen 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen aktivem Element (5 oder 13) und den relativ dazu bewegten Bauteilen ein oder mehrere mechanische Bauteile (9 bzw. 11 und 14) eingebaut sind, die entsprechend ihrer Gestaltung eine Kraft- oder eine Wegübersetzung bewirken.
  10. 10. Elektrodynamischer Gleichstromlinearmotor mit aktiver Klemmung nach den Patentansprüchen 1 bis 6 und 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein aktives Element aus magnetostriktivem Material (13) so in die Antriebsspule (2) des Gleichstromlinearmotors integriert ist, daß das Magnetfeld der bestromten Antriebsspulen (2) selbst die Dehnung des aktiven Elements (13) bewirkt und die Klemmung des bewegten zum ortsfesten Teils während der Bewegung dadurch freigibt und im stromlosen Zustand die Klemmung zwangsläufig wieder schließt.
  11. 11. Elektrodynamischer Gleichstromlinearmotor mit aktiver Klemmung nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Element der Bremse, das zur Klemmung dient, elektrisch über eine Gleichrichterbrücke so an die Antriebsspule angeschlossen ist, daß unabhängig von der Stromrichtung in der Antriebsspule bei Stromfluß die Klemmung stets gelöst und ohne Stromfluß stets geschlossen ist.






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